捕獲的二氧化碳分子的第一個(gè)快照揭示了碳捕獲的新亮點(diǎn)

能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)在分子籠內(nèi)拍攝了第一批二氧化碳分子圖像 - 高度多孔納米粒子稱為MOF或金屬有機(jī)骨架，具有很大的分離能力。儲(chǔ)存氣體和液體。

這些圖像由Stanford-SLAC Cryo-EM設(shè)施制作，在其籠中展示了兩種CO2分子配置，科學(xué)家稱之為客體 - 主體關(guān)系; 揭示籠子隨著二氧化碳的進(jìn)入而略微膨脹; 并放大鋸齒邊緣，MOF顆?？赡軙?huì)通過增加更多的籠子來增長(zhǎng)。

“這是一項(xiàng)突破性的成就，肯定會(huì)對(duì)這些高度多孔結(jié)構(gòu)如何發(fā)揮其特殊功能帶來前所未有的見解，并證明了冷凍EM在解決MOF化學(xué)中特別棘手的問題方面的強(qiáng)大功能，”Omar Yaghi說道。加州大學(xué)伯克利分校的教授，以及這個(gè)化學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)，他沒有參與這項(xiàng)研究。

由SLAC / Stanford教授Yi Cui和Wah Chiu領(lǐng)導(dǎo)的研究小組今天在Matter雜志上描述了這項(xiàng)研究。

有巨大表面的微小斑點(diǎn)

MOF具有任何已知材料的最大表面積。單克或百分之三盎司的表面積可以接近兩個(gè)足球場(chǎng)的大小，為客人分子提供足夠的空間進(jìn)入數(shù)百萬(wàn)個(gè)主機(jī)籠。

盡管MOF具有巨大的商業(yè)潛力和20年的激烈研究，但它們剛剛開始進(jìn)入市場(chǎng)。全球科學(xué)家每年設(shè)計(jì)超過6,000種新型MOF顆粒，為特定任務(wù)尋找合適的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組合，例如增加儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)存容量或捕獲和掩埋煙囪中的二氧化碳以應(yīng)對(duì)氣候變化。

“根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)的報(bào)告，將全球氣溫升高限制在1.5攝氏度將需要采用某種形式的碳捕獲技術(shù)，”斯坦福大學(xué)博士后研究員，該報(bào)告的第一作者Yuzhang Li說。“這些材料具有捕獲大量二氧化碳的潛力，并且了解二氧化碳在這些多孔骨架內(nèi)的結(jié)合位置對(duì)于設(shè)計(jì)更便宜，更有效的材料非常重要。”

用于觀察材料的最有效方法之一是透射電子顯微鏡或TEM，其可以以原子 - 原子細(xì)節(jié)制作圖像。但是，當(dāng)暴露于這種類型成像所需的強(qiáng)電子束時(shí)，許多MOF以及將客體分子保持在其中的鍵合會(huì)融化成斑點(diǎn)。

幾年前，崔和李采用了一種多年來用于研究生物樣品的方法：凍結(jié)樣品，使其在電子轟擊下保持更好。他們?cè)谒固垢＜{米共享設(shè)施中使用先進(jìn)的TEM儀器，首次檢查含有樹枝狀指狀增長(zhǎng)的鋰金屬的閃速冷凍樣品，這些樣品可以刺穿和損壞鋰離子電池 - 原子細(xì)節(jié)。

原子圖像，一次一個(gè)電子

對(duì)于這項(xiàng)最新研究，Cui和Li在Stanford-SLAC Cryo-EM設(shè)施中使用了儀器，這些設(shè)備具有更靈敏的探測(cè)器，可以從通過樣品的單個(gè)電子中獲取信號(hào)。這使得科學(xué)家能夠在最小化電子束曝光的同時(shí)制作原子細(xì)節(jié)圖像。

他們研究的MOF稱為ZIF-8。它的顆粒直徑僅為100億分之一米; 你需要排列大約900個(gè)以匹配人發(fā)的寬度。“它具有很高的商業(yè)潛力，因?yàn)樗浅１阋饲乙子诤铣桑?rdquo;斯坦福大學(xué)博士后研究員Kecheng Wang表示，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。“它已被用于捕獲和儲(chǔ)存有毒氣體。”

Cryo-EM不僅可以讓它們制作出超清晰的圖像，而且對(duì)顆粒的損害最小，而且還可以防止CO2氣體在拍照時(shí)逃逸。通過從兩個(gè)角度對(duì)樣本進(jìn)行成像，研究人員能夠確認(rèn)四個(gè)位置中的兩個(gè)位置，其中認(rèn)為二氧化碳被弱地保持在其籠內(nèi)。

“當(dāng)我看到這些照片時(shí)，我感到非常興奮。這是一項(xiàng)非常出色的工作，”斯坦福大學(xué)教授羅伯特辛克萊說，他是使用透射電鏡研究幫助解釋團(tuán)隊(duì)成果的材料的專家。“拍攝MOF內(nèi)部的氣體分子是一個(gè)令人難以置信的進(jìn)步。”